某水套加热炉盘管腐蚀原因

蔡 锐, 乔德康, 郗文博, 张轮亭, 李 尤, 陈 浩

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室, 西安 710077；2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司, 天津 300452)

水套加热炉是目前较为常用的原油、天然气水浴加热设备。采用水套加热炉进行加热,可以提高油气井产出物的流动性，使油气集输系统正常运行，是高密度、高含蜡、高凝固点、高黏度的重质超稠油常用的一种加热方式。水套加热炉盘管内部为油、气、水介质，外部是未经软化处理的油田生产用水，且其长期处于高温环境中，因此盘管内外腐蚀环境十分恶劣，腐蚀失效事故频繁发生。水套加热炉发生腐蚀会导致油气生产停产、油气产量降低和油气泄漏等，必须加以重视和预防[1]。

某油田单井水套加热炉被拆开后，发现其盘管腐蚀极其严重，腐蚀盘管的宏观形貌如图1所示。该加热炉壳体的设计压力为0.4 MPa，工作压力为0.1 MPa，加热炉盘管的设计压力为14.0 MPa，工作压力为6.4 MPa，材料为20#钢，工作介质为原油、天然气和地层水。主盘管的进口温度为30 ℃，出口温度为70 ℃，副盘管的进口温度为30 ℃，出口温度为60 ℃。选取其中一段典型的腐蚀盘管，采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜及腐蚀产物分析等方法对其腐蚀原因进行了分析，并提出了相应的防护措施。

图1 腐蚀盘管的宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

对该盘管的腐蚀部位进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：盘管外壁腐蚀极其严重，整体壁厚减薄十分明显，多处已发生腐蚀穿孔；盘管穿孔部位的管径明显小于未穿孔部位，表明该盘管腐蚀穿孔主要是其外壁的腐蚀所致；盘管外壁附着有大量的黑色及黄色腐蚀产物，呈层片状，极易剥落；腐蚀产物较脆，截面呈黑色。

图2 盘管腐蚀部位的宏观形貌

1.2 金相检验

在该盘管腐蚀严重的部位取样，依据GB/T 13298—2015《金相组织检验方法》，GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对其进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知，盘管的晶粒度等级为8.5级，盘管以外壁腐蚀为主，管体及腐蚀坑周围部位的组织无异常，均为铁素体+珠光体。

图3 腐蚀盘管的微观形貌

1.3 化学成分分析

依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》，采用ARL 4460型直读光谱仪对该盘管进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知，盘管的化学成分符合GB/T 24591—2019《高压给水加热器用无缝钢管》的要求。

表1 腐蚀盘管的化学成分分析结果 %

1.4 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)对该盘管外表面的腐蚀产物进行观察，结果如图4所示。由图4可知，盘管表面存在明显的腐蚀产物，十分致密，并存在明显的孔洞。

图4 盘管外表面腐蚀产物的SEM形貌

1.5 腐蚀产物分析

采用能谱仪(EDS)对该盘管外表面的腐蚀产物进行分析，结果如表2所示。由表2可知，腐蚀产物主要含有铁和氧元素，并含有少量的钙、镁、钠、碳、氯等元素。

表2 腐蚀产物的能谱分析结果 %

将盘管表面剥落的腐蚀产物研磨成粉末，采用X射线衍射仪(XRD)对粉末进行分析，结果如图5所示。由图5可知，盘管表面的腐蚀产物主要为Fe3O4及Fe2O3。

图5 腐蚀产物的XRD分析结果

2 综合分析

水套加热炉包括锅筒、盘管、火筒和烟管等部件，其中盘管是加热炉的核心传热部件。炉膛水具有硬度高，pH偏低和钙、镁离子含量高的特点，盘管内为油田采出物。该腐蚀盘管的宏观观察及金相检验结果表明，盘管以外壁腐蚀为主，内壁腐蚀程度相对较轻。XRD分析结果表明，盘管表面的腐蚀产物主要为Fe3O4及Fe2O3。综合上述理化检验结果可判断，加热炉盘管的腐蚀形式主要为溶解氧腐蚀。

碳钢的溶解氧腐蚀过程首先生成Fe(OH)2，生成的亚铁离子通常情况下很不稳定，遇到氧原子时极易氧化生成Fe(OH)3，其再经过脱水生成Fe2O3和FeO(OH)。Fe2O3和FeO(OH)均为疏松多孔的物质，并且与基体附着的能力差，无保护作用，所以氧腐蚀一般都可以无障碍地持续进行，对材料造成腐蚀破坏。

加热炉盘管外接触的炉膛水温度较高，可达到70～80 ℃。当炉膛水温度升高时，氧原子向金属表面的扩散速率增大，导致腐蚀速率增大。同时，地层水中的离子浓度越高，溶液的导电性就越好，氯离子也会破坏腐蚀产物膜的完整性，从而进一步加剧氧腐蚀过程。现场水质分析结果如表3所示。

表3 现场水质分析结果 mg/L

此外，氧化铁垢的形成还会进一步促进腐蚀。氧化铁作为电化学腐蚀的阴极，在加热条件下，垢下氧化铁膜遭到破坏，使裸露的金属碳钢变为阳极，并在水中发生腐蚀[2]。

此外，因金属过热在垢下还会发生汽水腐蚀。

氧化铁垢的腐蚀形态主要表现为：较大面积的结垢腐蚀，氧化铁垢呈黑褐色鱼鳞状，垢下金属大部分遭到腐蚀，这与该盘管腐蚀产物截面形貌是一致的。

3 结论及建议

该加热炉盘管腐蚀主要是高温水浴中的溶解氧腐蚀而导致的，同时伴随着在垢下因金属过热而产生的汽水腐蚀。

为减缓加热炉盘管的腐蚀，建议定期清洗加热炉盘管，并采用在水浴中加入缓释阻垢剂、除氧剂或对盘管外表面进行渗铝等措施进行防护处理。